应用光学知识点

第一章几何光学基本定律与成像概念

1、波面：某一时刻其振动位相相同的点所构成的等相位面成为波阵面，简称波面。光的传播即为光波波阵面的传播。

2、光束：与波面对应的所有光线的集合。

3、波面分类：

a)平面波：对应相互平行的光线束（平行光束）

b)球面波：对应相较于球面波球心的光束（同心光束）

c)非球面波

4、全反射发生条件：

a)光线从光密介质向光疏介质入射

b)入射角大于临界角

5、光程：光在介质中传播的几何路程l与所在介质的折射率n的乘积s。光程等于同一时间内光在真空中所走的几何路程。

6、费马原理：光从一点传播到另一点，期间无论经过多少次折射和反射，其光程为极值。

7、马吕斯定律：光线束在各向同性的均匀介质中传播时，始终保持着与波面的正交性，并且入射波面与出射波面对应点之间的光程均为定值。

8、完善像：

a)一个被照明物体每个物点发出一个球面波，如果该球面波经过光学系统后仍为一球

面波，那么对应光束仍为同心光束，则称该同心光束的中心为物点经过光学系统后

的完善像点。

b)每个物点的完善像点的集合就是完善像。

c)物体所在空间称为物空间，像所在空间称为像空间。

10、完善成像条件：

a)入射波面为球面波时，出射波面也为球面波。

b)或入射光为同心光束时，出射光也为同心光束。

c)或物点A1及其像点之间任意两条光路的光程相等。

11、物像虚实：几个光学系统组合在一起时，前一系统形成的虚像应看成当前系统的实物。

12、子午面：物点和光轴的截面。

13、决定光线位置的两个参量：

a)物方截距：曲面顶点到光线与光轴交点A的距离，用L表示。

b)物方孔径角：入射光线与光轴的夹角，用U表示。

14、符号规则

a)沿轴线段：以折射面顶点为原点，由顶点到光线与光轴交点或球心的方向于光线传

播方向相同时取证，相反取负

b)垂轴线段：以光轴为基准，在光轴上方为正，下方为负。

c)夹角：

i.优先级：光轴》光线》法线。

ii.由优先级高的以锐角方向转向优先级低的。

iii.顺时针为正，逆时针为负。

15、球差：单个折射球面对轴上物点成像是不完善的。球差是固有缺陷。

16、高斯像：轴上物点在近轴区以细光束成像是完善的，这个像称为高斯像。

a)通过高斯像点且垂直于光轴的平面称为高斯像面。

b)这样一对构成物象关系的点称为共轭点。

17、阿贝不变量Q ：物空间与像空间的阿贝不变量相等，仅随共轭点的位置而变。Q l

r n l r n =-=-)11()'11(' 18、垂轴放大率β：β为像的大小与物体大小之比

a) l

n nl ''y y'==β 由此可知，垂轴放大率仅取决于共轭面位置，在一堆共轭面上，β为常数，故像与物相似。

b) 成像特性：

i. β>0，成正像，虚实相反；β<0，成倒像，虚实相同。

ii. |β|>1，成放大的像，反之成缩小的像。

19、轴向放大率α：物点沿光轴做微笑移动dl 时，引起的像点移动量dl'与物点移动量之比。

a) 222''''βαn

n l n nl dl dl === b) 折射球面的轴向发达率恒为正

20、角放大率：在近轴区内，一对共轭光线与光轴的夹角u'与u 的比值，用γ表示。

a) β

γ1'''n n l l u u === b) 角放大率表示折射球面将光束变宽或变细的能力

c) 角放大率只与共轭点的位置有关，与孔径角无关

21、三个放大率的关系：ββ

βαγ==''2n n n n 22、由'

''''u n nu l n nl y y ===β得J y u n nuy =='''。该式表明实际光学系统在近轴区成像时，在物象共轭面内，物体大小y 、成像光束的孔径角u 和物体所在材质折射率n 的乘积为一常数。该常数J 称为拉格朗日-赫姆霍兹不变量，简称拉赫不变量。

23、球面反射镜的情况：

a) 物像位置关系：r

l l 21'1=+ b) 成像放大率： β

γβαβ1'''''222

-==-=-==-==u u l

l dl dl l

l y y c) 球面镜的拉兹不变量：''y u uy J -==

24、共轴球面系统过渡公式

a) i i i d l l -=+'1 '1i i i i u d h h -=+

第二章 理想光学系统

1、理想光学系统：将一般仅在光学系统近轴区存在的完善成像，拓展成在任意大的空间中以任意宽的光束都成完善像的理想模型。性质：

a) 位于光轴上的物点对应的共轭像点也必然位于光轴上；位于过光轴的某一个截面内的物点对应的共轭像点必位于该平面的共轭像面内；过光轴的任意截面成像性质都是相同的。

b) 垂直于光轴的平面物所称的共轭平面像的几何形状完全与物相似。

c) 如果已知两对共轭面的位置和放大率，或者一对共轭面的位置和放大率以及轴上两对共轭点的位置，则其他一切物点的像点都可以根据这些已知的共轭面和共轭点来表示。这些已知的共轭面和共轭点分别称为共轴系统的“基面”和“基点”。

2、无限远轴上物点和它对应的像点F'

a) 无限远轴上物点发出的光线都与光轴平行

b) 无限远轴上物点的像点F'称为像方焦点。过F'作垂直于光轴的平面，称为像方焦平面。

c) 将入射光线(平行于光轴的)与出射光线反向延长，则两光线必交于一点，设此点为Q'，过Q'作垂直于光轴的平面交光轴于H'，则H'称为像方主点，Q'H'平面称为像方主平面，从主点H'到焦点F'的距离称为像方焦距，用'f 表示。'tan 'U h f = d) 将入射光线与出射光线(平行于光轴的)反向延长，则两光线必交于一点，设此点为Q ，过Q 作垂直于光轴的平面交光轴于H ，则H'称为物方主点，QH 平面称为物方主平面，从主点H 到焦点F 的距离称为物方焦距，用'f 表示。U

h f tan = 3、图解法求像

a) 已知一个理想光学系统的主点（主面）和焦点的位置，利用光线通过他们之后的性质，对物空间给定的点、线、面，通过画图追踪典型光线求出像的方法。

b) 平行于光轴入射的光线，经过系统后过像方焦点。

c) 过物方焦点的光线，经过系统后平行于光轴。

d) 倾斜于光轴入射的平行光束经过系统后交于像方焦平面上一点。

e) 自物方焦平面上发出的光束经系统后成倾斜于光轴的平行光束。

f) 共轭光线在主面上的投射高度相等。

4、解析法求像

a) 牛顿公式：物和像的位置相对于光学系统的焦点来确定，以物点到物方焦点距离为物距，用x 表示；以像点到像方焦点距离为像距，用x'表示。正负号以响应焦点为原点确定

i. 公式：''ff xx =； 垂轴放大率：'

''f x x f y y -=-==β b) 高斯公式：以l 表示物点到物方主点的距离，以'l 表示像点到像方主点的距离；正负以相应主点为原点确定

i. 公式：1''=+l f l f 垂轴放大率：l

l f f y y '''-==β